近59 a青南地区地表温度和气温的变化特征分析

韩忠全，许学莲

(1.青海省果洛州久治县气象局，青海 智青松多 814499；2.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099)

引言

青南地区位于青海省南部，是青海省综合自然区划的一个一级区，河流众多，冰川广布，为长江、黄河、澜沧江发源地，素有“中华水塔”之称，是青藏高原的生态屏障。

地温和气温是影响气候变化的重要指标，地温和气温的改变不仅会使区域气候发生改变，而且对大气环流产生影响[1]。研究地温和气温的变化特征有助于揭示地气温度对生态环境和农业生产的影响[2]，因此，近来已有许多学者对此展开了大量研究，王佳琳等分析了中国0 cm地温变化特征及其与气温变化的关系，指出中国大部分地区0 cm地温都表现为升温趋势，且北方地区较南方升温更加明显，就各季节而言，冬季升温最明显，夏季升温最弱[3]。杜军等对西藏浅层地温对气候变暖的响应进行了分析，指出西藏地区年、 季平均浅层地温表现为显著的升高趋势，其中冬季增幅最大，夏季最小[4]。陈超等研究了1961～2010年桂林气温和地温的变化特征，得出气温与各层地温有很好的相关性；各年、季平均气温和各层平均地温大部分呈显著的升高趋势，但气温和地温的增温速率不一致，即升温存在非对称性[5]。对于研究地温和气温变化特征较多[6～12]，但对青南地区的地温和气温变化特征很少[13]。本文对青南地区的地温和气温变化特征进行了深入的分析，为正确评估气候变化对青南地区生态系统的影响，保护和恢复生态系统提供重要的参考数据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

采用1961～2019年地表温度和气温的逐月观测资料，资料来自于青海省气象信息中心。综合考虑气象台站的迁徙和观测资料的完整性，选取青南地区曲麻莱、囊谦、玉树、玛多、达日、班玛、久治、兴海、同德、泽库、河南县11个气象台站的资料，按12月至次年2月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，生成逐级序列以及年序列。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率 利用气象要素的时间序列，以时间为自变量，要素为因变量，建立一元回归方程。设y为某一气象变量，t为时间(年份或序号)，建立y与t之间的一元线性回归方程：

其趋势变化率为：把b1×10称为变化倾向率，单位为d·(10a)-1或mm·(10a)-1；趋势方程中系数b1的计算式具体见如下：

Y(t)=b0+b1t

(1)

(2)

(3)

b1值的符号反映上升或下降的变化趋势，b1<0表示在计算时段内呈下降趋势，b1>0表示呈上升趋势。b1值绝对值的大小可以度量其演变趋势上升、下降的程度。

1.2.2 Mann-Kendall 突变检验 MK法是世界气象组织推荐并已广泛使用的一种非参数检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，是目前突变性检验中应用较多的一种诊断方法[14]。MK突变检验中，若正序列(UF)的值大于0，表示序列呈上升趋势，小于0则呈下降趋势；如果正反序列两个统计量序列仅有一个明显的交点，且在信度线之间，那么该交点为突变点，且统计上显著；若交点在信度线之外，或者是存在多个明显的交点，则不确定是否为突变点[15]。

2 结果与分析

2.1 地温与气温的变化关系

利用气象台站1961～2019年平均地表温度和平均气温资料，建立1961～2019年多年年平均地、气温序列。图1给出了青南地区1961～2019年平均地表温度和平均气温相关关系图。可以看出，平均地表温度和平均气温相关系数为0.8637，通过0.001显著性检验，说明地温与气温的变化趋势具有很好的一致性。

近59 a来青南地区地温和气温多年平均值为4.4 ℃和0.7 ℃，最大值均出现在 2016 年，分别为5.9 ℃和2.2 ℃，最小值均出现在1983年，分别为2.8 ℃和-0.6 ℃。地温和气温均以增温为主(图2a)，分别以0.31 ℃/10a和0.36 ℃/10a的幅度上升，通过0.001显著性检验，表明青南地区地温和气温上升趋势明显，特别是2000年后升温尤为显著。近59 a来青南地区地气温差多年平均值为3.7 ℃，最大值出现在1961年和1965年，为4.7 ℃，最小值出现在2003年，为2.9 ℃。地气温差以0.05 ℃/10a的幅度呈现减小趋势(图2b)，这主要是因为地温的增温幅度小于气温，地气温差减小趋势不显著，未通过0.05的显著性检验。地气温差为正，说明青南地区地表对大气的加热作用大于冷却作用，向大气输送热量占主导地位。

图1 青南地区年平均地表温度和年平均气温的关系

2.2 地温和气温的年代际变化

表1列出了青南地区地表温度和气温的年代际距平。近59 a来，青南地区的地表温度总体呈上升趋势，21世纪10年代距平值为1.2 ℃，是近59 a中最高时期；20世纪60～90年代与多年平均相比偏低0.3～0.9 ℃，是近59 a中偏低时期；21世纪00年代较多年平均偏高0.8 ℃；20世纪60年代到21世纪10年代地温升高1.5 ℃；各个年代升温和降温幅度不同，70年代比60年代下降0.1 ℃；80年代比70年代下降0.5 ℃；90年代比80年代升高0.3 ℃；21世纪00年代比20世纪90年代升高1.4 ℃，升温幅度较大；到21世纪10年代升温幅度有所减缓，21世纪10年代比00年代上升0.4 ℃，总体地温呈先降后升的态势。

近59 a来，青南地区气温升温显著，21世纪10年代距平值为1.0 ℃，是近59 a中最暖的时期；20世纪 60～90年代与多年平均相比偏低0.2～0.7 ℃，是近59 a中的偏冷时期；21世纪00年代较多年平均偏高0.8 ℃；20世纪60年代到21世纪10年代的59 a，气温上升1.7 ℃；各个年代升温幅度有所不同，60年代到70年代升高0.2 ℃；70年代到80年代升高0.1 ℃；80年代到90年代升高0.2 ℃；90年代到21世纪00年代升温幅度较大，升高1.0 ℃；到21世纪10年代升温幅度减缓，00年代到10年代升高0.2 ℃，59 a来，年平均气温呈持续上升态势。

图2 青南地区年平均地温和年平均气温的变化及温差变化

表1 青南地区地温和气温的年代际距平(℃)

比较1961～2019年平均地温和平均气温的变化幅度可以看出，在气候变暖背景下，地温比气温的响应缓慢、滞后。

2.3 地温和气温的季节变化

近59 a来，青南地区四季地温和气温均以增温为主(表2)，冬季升温速率最大，分别为0.48 ℃/10a和0.52 ℃/10a；秋季次之；地温在夏季升温率最小；气温在春季升温率最小，除春季和夏季平均地温通过0.01的显著性检验外，地温和气温变化趋势在其他季节均通过0.001显著性检验。

春、夏、秋、冬四季地温21世纪10年代与多年平均相比分别偏高0.9 ℃、0.9 ℃、1.3 ℃、2.0 ℃，是近59 a中最高时期。20世纪60年代到21世纪10年代的59 a，四季地温分别上升0.9 ℃、1.0 ℃、1.5 ℃、2.6 ℃。四季气温的年代际变化与地温类似，最暖时期出现在21世纪10年代，与多年平均相比分别偏高0.7 ℃、1.0 ℃、1.1 ℃、1.4 ℃；20世纪60年代到21世纪10年代的59 a，四季气温分别上升1.2 ℃、1.6 ℃、1.9 ℃、2.6 ℃。由此可见，近59 a来，地温和气温的增温幅度冬季最大，春季最小，四季最暖期均出现在21世纪10年代。

综上所述：在气候变暖前提下，四季气温比地温响应较快，较强烈，尤其在冬季响应更迅速、更敏感。

2.4 地温和气温的突变分析

图3是利用Mann-Kendall 检验法对近59 a青南地区的地温和气温序列进行突变检验分析，春、夏季平均地温在2004年发生明显气候突变；秋、冬季平均地温分别在2005年和2000年发生气候突变；年平均地温在临界值信度线之间有2个交点，再经过累积距平和信噪比公式计算分析，确定年平均地温在2008年发生气候突变。夏、秋、冬季平均气温在1997年发生气候突变，春季平均气温在临界值信度线之间有2个交点，年平均气温UF和UB两条曲线交点在临界线之外，再经过累积距平和信噪比公式计算分析，确定年和春季平均气温分别在1997年和2001年发生明显突变。以上分析表明，年、季平均地温气候突变发生在不同年份，气温除春季外均在同年发生突变，气温突变比地温突变早。

表2 青南地区不同年代、季节、59 a地温和气温平均值(℃)及气候倾向率

3 结论

(1) 近59 a来，青南地区地温和气温的变化有很好的相关性，说明地温与气温的变化趋势具有很好的一致性，两者变化趋势相似，最暖期均出现在21世纪10年代。

(2)地温和气温均呈明显上升趋势，年平均地温明显高于平均气温，但地温的升温率和升温幅度低于气温的升温率和升温幅度，表明在气候变暖大背景下，地温比气温的响应缓慢，地温和气温的升温速率不一致说明升温存在非对称性。

(3)四季地温和气温均以升温为主，其中，冬季升温率最高、升温幅度最大，表明冬季温度的升高为年平均地温和年平均气温的升高作突出贡献，四季最暖期均出现在21世纪10年代。

(4)地温和气温在20世纪90年代和21世纪初发生气候突变，即从一个相对偏冷期跃变为相对偏暖期，其中，年、四季平均地温在21世纪初发生突变；气温除春季在21世纪初发生突变外，其他季节和年平均气温均在20世纪90年代发生突变，气温突变比地温突变早。